论文总字数：34207字

摘 要

随着工业制造生产行业朝着智能化、自动化方向不停的发展，工业机器人的应用场合越来越广泛。随着电力电子和以太网技术的发展，现在工业控制现场总线技术的发展趋势是将实时工业以太网技术用于工业机器人控制上。Ethercat（Ethernet for Control Automation Technology）是一种实时工业现场总线的通信协议和国际标准，它基于以太网，并且具有高数据有效率和高速度的特点。它还支持多种物理拓扑结构。

本文给出了整个工业机器人控制系统的架构设计。本课题采用BeagleBone Black开发板作为硬件开发平台。BeagleBone Black是一款基于ARM Cortex-A8处理器的低成本、低功耗的开发板，其核心处理器是AM3358，然后介绍了如何将Linux3.2.0系统嵌入到BeagleBone Black开发板中。接着提供了将开源的IGH EtherCAT Master软件移植到BeagleBone Black开发板的Linux3.2.0系统的方法。然后完成了一种工业机器人模型的运动学正解与逆解计算模块和插补模块，并编写模拟运行程序，将工业机器人模型的正逆解结果进行模拟，验证其正确性。最后从站模块采用符合标准的EtherCAT协议的EtherCAT从站测试电路，对主从站进行了通信传输测试，得出测试结论。

关键词：工业机器人、嵌入式处理器、IGH EtherCAT Master、伺服控制、运动学正逆解

Development of industrial robot system and control software for complex task

Abstract

With the development of industrial manufacturing industry in the direction of intelligent and automation, the application of industrial robots is more and more widely. With the development of the power electronic technology and Ethernet technology, the development trend of industrial control field bus technology is that the real time Industrial Ethernet technology is applied to the control of industrial robots. EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）is a kind of real time industrial field bus communication protocol and international standard. It is based on the Ethernet and has the characteristics of high data efficiency and high speed. It also supports a variety of physical topology.

In the article, the architecture design of the whole industrial robot control system is given, and the BeagleBone Black development board is used as the hardware development platform. BeagleBone Black is a development board based on ARM Cortex-A8 processor with low cost, low power consumption. The core processor is AM3358, and then I introduce how to embed the Linux3.2.0 system into the BeagleBone Black development board. Then I provide the approach of transplanting the open source EtherCAT Master IGH software into the BeagleBone Black development board embedded with Linux3.2.0 system . And then, the positive and inverse solutions of the industrial robot model and interpolation module are completed, and the simulation program is written to simulate the positive and inverse solutions of the industrial robot model and I verify the correctness. Finally, the slave station module uses the EtherCAT test circuit which conforms to the standard EtherCAT protocol as the hardware platform and then I carries on the communication transmission test from the master station to the slave station. Finally,I get the conclusion of the test.

KEYWORDS: Industrial robot, embedded processor, IGH EtherCAT Master, servo control, kinematics positive and inverse solution

目录

面向复杂作业的工业机器人系统与控制软件开发 I

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 工业机器人国内外发展现状 1

1.2.1 国外工业机器人发展 1

1.2.2 国内工业机器人发展 1

1.3 国内外工业机器人控制系统发展现状 2

1.3.1 国外工业机器人控制系统发展现状 2

1.3.2 国内工业机器人控制系统发展现状 3

1.4 工业以太网现场总线技术 4

1.5 本文研究内容及侧重点 4

1.5.1 主要工作 4

1.5.2 内容安排 5

第2章 工业机器人控制系统架构设计 6

2.1 工业机器人整体控制系统架构设计 6

2.2 工业机器人控制系统架构模块分析 7

2.2.1 用户层 7

2.2.2 运行系统控制器层 7

2.2.3 伺服驱动控制层 8

2.3 主要功能开发 8

第3章 开发系统环境与开发平台的搭建 9

3.1 开发系统环境安装与配置 9

3.1.1 安装虚拟机VMware Workstation Pro和系统平台Ubuntu 9

3.1.2 系统开发环境的配置 9

3.2 BeagleBone Black硬件开发平台简介与搭建 10

3.2.1 BeagleBone Black开发平台简介 10

3.2.2 BeagleBone Black平台搭建以及Linux系统移植 10

3.3 本章小结 13

第4章 Beaglebone black上的Ethercat主站实现 14

4.1 EtherCAT系统原理 14

4.1.1 EtherCAT原理概述 14

4.1.2 EtherCAT系统组成 15

4.2 EtherCAT通信原理 16

4.2.1 EtherCAT数据帧结构 16

4.2.2 EtherCAT报文寻址与FMMU 17

4.2.3 EtherCAT通信服务与WKC 18

4.2.4 应用层协议 19

4.2.5 EtherCAT状态机 19

4.3 IGH EtherCAT Master主站介绍与移植方法 20

4.3.1 IGH EtherCAT Master主站介绍 20

4.3.2 主站运行状态 21

4.3.3 IGH EtherCAT Master主站移植到BeagleBone Black平台 22

4.4 IGH EtherCAT Master命令行工具介绍 23

4.5 本章小结 24

第5章 工业机器人正逆解与轨迹规划 25

5.1 连杆变换矩阵和D-H参数法 25

5.2 机器人运动学正解与逆解分析 27

5.2.1 正运动学分析 27

5.2.2 逆运动学分析 29

5.2.3 正逆解的仿真测试 30

5.3 关节空间点到点插补方法和笛卡尔空间直线插补 31

5.3.1 T型曲线控制模式 31

5.3.2 关节空间点到点插补 33

5.3.3 笛卡尔空间直线插补 34

5.4 机器人仿真软件架构 36

5.5 本章小结 37

第6章 EtherCAT主从站通信测试 38

6.1 EtherCAT主从站初始化 38

6.2 EtherCAT从站LED控制代码实现 39

6.2.1 应用程序对EtherCAT主从站的配置流程 39

6.2.2 EtherCAT从站LED控制程序分析 40

6.3 EtherCAT主从站测试结论 42

6.4 本章小结 43

第7章 总结与展望 44

7.1 总结 44

7.2 展望 45

致谢 46

参考文献 47

绪论

引言

工业机器人是有着多个自由度的机械设备。它应用于广泛的领域。人类可以直接遥控它，也可以事先编写好程序让它自动执行。我国国家标准将工业机器人定义为“是一种能自动控制、可重复编程、多功能、多自由度的操作机^[1]。人们一直关注的热点是机器人控制系统的架构。许多年来，人们一直关注如何提高机器人技术以及如何强化它的功能，现在用控制器通过工业总线连接各类设备，然后形成一个功能丰富的系统已经成为主流。EtherCAT（以太网控制自动化技术）作为一种实时工业以太网技术，它具有很高的可靠性、实时性以及相对灵活的拓扑结构^[2]。此外，EtherCAT主从站采用了全双工的通信方式。EtherCAT主站发送数据帧到EtherCAT从站，然后EtherCAT从站从数据帧中根据FMMU机制提取属于自己地址的数据或者插入数据到数据帧中，然后再次转发数据帧到下一个EtherCAT从站。

工业机器人国内外发展现状

国外工业机器人发展

机器人工业协会（Robotic Industries Association）定义工业机器人：工业自动化控制里面的一种多用途、自动控制、可多次编程的且具备三个以上关节轴，固定式或移动式的可编程机械操作结构^[3]。1962年美利坚合众国研发了第一台工业机器人。六十年代到七十年代机器人技术与应用发展的十分缓慢。七十年代到八十年代，因为电力电子以及自动控制的发展督促了机器人技术的革新。1980年后，工业机器人得到了普及地应用^[4]。当前比较著名的工业机器人公司有欧洲中的瑞典ABB、德国KUKA 、意大利的GOMAU、CLOOS、及奥地利的IGM公司。

国内工业机器人发展

我国工业机器人的起步相比而言是相当迟的，在20世纪70年代才刚刚起步。直到近十年以来我国在工业机器人技术和设计水平才有了一定水准。我国已经掌握了工业机器人的设计、制造、应用过程中的多项关键技术,能够生产出部分机器人关键元器件,开发出弧焊、点焊、码垛、装配、搬运、注塑、冲压、喷漆等工业机器人^[5]。我国一些工业机器人公司以及一些大型重点科研实验室已经可以设计工业机器人相关软件以及把握了在线或者离线的编程技术、机械臂的运动学正逆解和轨迹规划等，甚至某些关键技术已经接近了国际先进水平。

国内外工业机器人控制系统发展现状

国外工业机器人控制系统发展现状

许多年来，人们对于体系结构的研究主要是机器人技术的提高以及功能上的增强。当前时代生产业发展趋势是利用工业现场总线连接生产线上各类设备，然后有机构成一个综合功能完善的控制系统。但是大部分工业生产设备由不同厂家设计的设备组成，如果想将其整合成一个自动化系统，相当有难度。

开放式控制系统是目前国际控制系统发展的趋势，美国在NGC（the Next Generation workstation/machine Control architecture program）之后，OMAC（Open Modular Architecture Control users group）团队又进行了新一轮开发的方案，目标是期望能够研发出一款开放式体系结构的控制系统^[6]。欧共体类似实施了OSACA（Open System Architecture for Control within Automation system）的开发计划^[7]。OSACA系统如图1-1所示。同时日本也积极推行OSEC计划（Open System Environment for Controller），提出了基于PC的开放式结构。在机器人这么广泛的一个行业中建立统一的标准的确是很困难的一件事情，但是建立一部分标准确实又是对机器人行业的发展有着十分的好处。就当前来看，决定商业化工业机器人控制系统的市场竞争力的关键是开放的程度^[8]。

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